本發(fā)明屬于衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及了一種針對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)二次編碼的弱信號捕獲方法。

背景技術(shù)：

衛(wèi)星導(dǎo)航信號的捕獲是接收機基帶信號處理的第一步，根據(jù)是否有輔助條件，衛(wèi)星信號的弱信號捕獲分為輔助式和無輔助式，輔助式捕獲通過外部增強信息來提高衛(wèi)星捕獲的能力，這些信息可以來自地面站、慣性器件等。無輔助式捕獲不借助外部信息實現(xiàn)弱信號的捕獲，通常需要長的相干積分時間和多的非相干積分次數(shù)，具有更強的自主性和獨立性。一般來說，捕獲相同載噪比的衛(wèi)星信號，無輔助式要比輔助式需要更復(fù)雜的算法，所需計算量和捕獲時間也相應(yīng)長得多。因此，減少捕獲算法的復(fù)雜度、計算量和捕獲時間是無輔助式接收機的一個發(fā)展方向。

衛(wèi)星信號體制的二次編碼在北斗、Galileo等全球?qū)Ш较到y(tǒng)以及GPS的現(xiàn)代化中得到了普遍應(yīng)用。二次編碼通過延長擴頻碼的整體周期來改善相關(guān)性，可以使接收機快速實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步，降低頻譜譜線的間隔，進一步抑制窄帶干擾。GPS現(xiàn)代化中，L1C信號二次編碼長為1800，周期為18s，碼速率為100bps，L5C信號的數(shù)據(jù)通道和導(dǎo)頻通道分別采用長度為10和20的NH碼兩種二次編碼長度。伽利略系統(tǒng)在不同頻點的不同通道采用了不同周期和不同碼長的二次編碼。

二次編碼的加入使得衛(wèi)星導(dǎo)航信號的比特跳變更加頻繁，對弱信號的捕獲制造了更大的難度，不僅要準(zhǔn)確的檢測出多普勒頻移和測距碼相位，還需要知道二次編碼的碼相位。傳統(tǒng)的長時間的相干積分計算量大，運算時間長，對軟硬件提出了很高的要求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決上述背景技術(shù)提出的技術(shù)問題，本發(fā)明旨在提供一種針對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)二次編碼的弱信號捕獲方法，基于雙塊補零算法，能同時對多普勒頻移和碼相位進行并行搜索，提升運算速度。

為了實現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種針對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)二次編碼的弱信號捕獲方法，包括以下步驟：

(1)將長度均為T_I+T_bit的衛(wèi)星基帶信號和本地測距碼通過雙塊補零算法進行圓周相關(guān)運算，得到(N_b+N_step)×N_ms維的相關(guān)運算矩陣M_c；其中，T_I為基帶信號的原始長度，T_bit為1個導(dǎo)航數(shù)據(jù)位，N_b為長度為T_I的信號進行分塊的數(shù)量，N_step為1個導(dǎo)航數(shù)據(jù)位T_bit對應(yīng)的分塊的數(shù)量，N_ms為每毫秒包含的采樣點數(shù)；

(2)生成導(dǎo)航數(shù)據(jù)位和二次編碼的調(diào)制碼，調(diào)制碼的長度為N_b；對于長度為T_I的基帶信號，存在的導(dǎo)航數(shù)據(jù)位的個數(shù)為N_db，則導(dǎo)航數(shù)據(jù)位所有可能的組合的個數(shù)為即生成的調(diào)制碼的個數(shù)為

(3)將步驟(2)得到的調(diào)制碼與步驟(1)得到的相關(guān)運算矩陣M_c的第1列的從起始點開始的N_b個點進行相關(guān)運算，將相關(guān)運算后的N_b個點進行離散傅里葉變換；然后從相關(guān)運算矩陣M_c的第1列的起始點下移1個二次編碼的碼相位對應(yīng)的點數(shù)，找到相關(guān)運算矩陣M_c的第1列的新起始點，將調(diào)制碼與相關(guān)運算矩陣M_c的第1列從該新起始點開始的N_b個點再次進行相關(guān)運算，將相關(guān)運算后的N_b個點進行離散傅里葉變換；重復(fù)前述過程N_NH次，共得到N_b×N_NH個經(jīng)過離散傅里葉變換的點數(shù)據(jù)，其中，N_NH為二次編碼的長度；

(4)將步驟(2)得到的每一個調(diào)制碼與相關(guān)運算矩陣M_c每一列都進行步驟(3)的操作，則一共需要進行次的離散傅里葉變換，得到個點數(shù)據(jù)；

(5)計算步驟(4)得到的所有點數(shù)據(jù)的能量，若能量最大值超過給定的捕獲閾值，則捕獲成功，對應(yīng)的多普勒頻移、測距碼的碼相位、導(dǎo)航數(shù)據(jù)位組合以及二次編碼的碼相位也分別得到。

進一步地，步驟(1)依序包括基帶信號和測距碼的分塊操作、基帶信號的雙塊操作、測距碼的補零操作、基帶信號與測距碼的塊內(nèi)相關(guān)操作和移塊操作。

進一步地，所述基帶信號和測距碼的分塊操作的過程為，將長度為T_I+T_bit的基帶信號分成N_b+N_step個塊，每個塊包含S_b個采樣點；本地生成同樣長度的測距碼，同樣分成N_b+N_step塊，每個塊包含S_b個采樣點。

進一步地，所述基帶信號的雙塊操作的過程為，將基帶信號第i個塊與第i+1個塊組合成新的塊，得到基帶信號的新的N_b+N_step個塊，每個塊包含2S_b個采樣點；i＝1,2,…,N_b+N_step-1。

進一步地，所述測距碼的補零操作的過程為，將測距碼的每個塊后面補上相同長度的零，形成新的N_b+N_step個塊，每個塊含2S_b個點。

進一步地，所述基帶信號與測距碼的塊內(nèi)相關(guān)操作和移塊操作的過程為，

將基帶信號與測距碼對應(yīng)的兩個塊分別做2S_b點的離散傅里葉變換，得到兩個2S_b點數(shù)據(jù)；將測距碼的2S_b點數(shù)據(jù)取共軛再與基帶信號2S_b點數(shù)據(jù)進行點對點相乘，得到1個2S_b點數(shù)據(jù)，對這2S_b點數(shù)據(jù)進行反傅里葉變換，保留變換后的前S_b個點，將后S_b個點舍棄；對基帶信號和測距碼的所有塊均進行前述操作，共得到(N_b+N_step)×S_b個點，這(N_b+N_step)×S_b構(gòu)成相關(guān)運算矩陣M_c的前S_b列；

測距碼統(tǒng)一循環(huán)左移1個塊，然后將基帶信號與循環(huán)左移后的測距碼進行上述相關(guān)運算，得到的數(shù)據(jù)依次構(gòu)成相關(guān)運算矩陣M_c的其中S_b列；信號共左移N_s-1次，最終得到(N_b+N_step)×N_ms維的相關(guān)運算矩陣M_c；其中，N_s為每毫秒包含的塊數(shù)，N_ms為每毫秒包含的采樣點數(shù)。

采用上述技術(shù)方案帶來的有益效果：

現(xiàn)有基于雙塊補零算法的弱信號捕獲方法不適用于采用二次編碼的信號，本發(fā)明在相關(guān)運算矩陣轉(zhuǎn)化為相干積分矩陣的過程中，建立二次編碼與導(dǎo)航數(shù)據(jù)位的組合碼序列集合，采用滑塊相關(guān)的算法對各種可能的導(dǎo)航數(shù)據(jù)位組合和二次編碼的碼相位進行遍歷，實現(xiàn)對弱信號的有效監(jiān)測和捕獲。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的方法流程圖。

具體實施方式

以下將結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案進行詳細(xì)說明。

如圖1所示，一種針對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)二次編碼的弱信號捕獲方法，步驟如下：

步驟1：將長度均為T_I+T_bit的衛(wèi)星基帶信號和本地測距碼通過雙塊補零算法進行圓周相關(guān)運算，得到(N_b+N_step)×N_ms維的相關(guān)運算矩陣M_c；其中，T_I為基帶信號的原始長度，T_bit為1個導(dǎo)航數(shù)據(jù)位，N_b為長度為T_I的信號進行分塊的數(shù)量，N_step為1個導(dǎo)航數(shù)據(jù)位T_bit對應(yīng)的分塊的數(shù)量，N_ms為每毫秒包含的采樣點數(shù)。

上述過程依序包括如下幾個部分：

基帶信號和測距碼的分塊操作、基帶信號的雙塊操作、測距碼的補零操作、基帶信號與測距碼的塊內(nèi)相關(guān)操作和移塊操作。

基帶信號和測距碼的分塊操作過程為，將長度為T_I+T_bit的基帶信號分成N_b+N_step個塊，每個塊包含S_b個采樣點；本地生成同樣長度的測距碼，同樣分成N_b+N_step塊，每個塊包含S_b個采樣點。

基帶信號的雙塊操作的過程為，將基帶信號第i個塊與第i+1個塊組合成新的塊，得到基帶信號的新的N_b+N_step個塊，每個塊包含2S_b個采樣點；i＝1,2,…,N_b+N_step-1。

測距碼的補零操作的過程為，將測距碼的每個塊后面補上相同長度的零，形成新的N_b+N_step個塊，每個塊含2S_b個點。

基帶信號與測距碼的塊內(nèi)相關(guān)操作和移塊操作的過程為，

將基帶信號與測距碼對應(yīng)的兩個塊分別做2S_b點的離散傅里葉變換，得到兩個2S_b點數(shù)據(jù)；將測距碼的2S_b點數(shù)據(jù)取共軛再與基帶信號2S_b點數(shù)據(jù)進行點對點相乘，得到1個2S_b點數(shù)據(jù)，對這2S_b點數(shù)據(jù)進行反傅里葉變換，保留變換后的前S_b個點，將后S_b個點舍棄；對基帶信號和測距碼的所有塊均進行前述操作，共得到(N_b+N_step)×S_b個點，這(N_b+N_step)×S_b構(gòu)成相關(guān)運算矩陣M_c的前S_b列；

測距碼統(tǒng)一循環(huán)左移1個塊，然后將基帶信號與循環(huán)左移后的測距碼進行上述相關(guān)運算，得到的數(shù)據(jù)依次構(gòu)成相關(guān)運算矩陣M_c的其中S_b列；信號共左移N_s-1次，最終得到(N_b+N_step)×N_ms維的相關(guān)運算矩陣M_c；其中，N_s為每毫秒包含的塊數(shù)，N_ms為每毫秒包含的采樣點數(shù)。

步驟2：利用二次編碼的序列固定，且周期為一個導(dǎo)航數(shù)據(jù)位寬度的特點，將二次編碼調(diào)制在導(dǎo)航數(shù)據(jù)碼，生成長度為N_b的導(dǎo)航數(shù)據(jù)位和二次編碼的調(diào)制碼；對于長度為T_I的基帶信號，存在的導(dǎo)航數(shù)據(jù)位的個數(shù)為N_db，則導(dǎo)航數(shù)據(jù)位所有可能的組合的個數(shù)為即生成的調(diào)制碼的個數(shù)為

步驟3：步驟2得到的調(diào)制碼與步驟1得到的相關(guān)運算矩陣M_c的第1列的從起始點開始的N_b個點進行相關(guān)運算，將相關(guān)運算后的N_b個點進行離散傅里葉變換；然后從相關(guān)運算矩陣M_c的第1列的起始點下移1個二次編碼的碼相位對應(yīng)的點數(shù)，找到相關(guān)運算矩陣M_c的第1列的新起始點，將調(diào)制碼與相關(guān)運算矩陣M_c的第1列從該新起始點開始的N_b個點再次進行相關(guān)運算，將相關(guān)運算后的N_b個點進行離散傅里葉變換；重復(fù)前述過程N_NH次，共得到N_b×N_NH個經(jīng)過離散傅里葉變換的點數(shù)據(jù)，其中，N_NH為二次編碼的長度。

步驟4：將步驟2得到的每一個調(diào)制碼與相關(guān)運算矩陣M_c每一列都進行步驟3的操作，則一共需要進行次的離散傅里葉變換，得到個點數(shù)據(jù)。N_b代表N_b個多普勒頻移搜索點，N_ms代表N_ms個測距碼的碼相位，N_NH代表N_NH個二次編碼的碼相位，代表所有可能的導(dǎo)航數(shù)據(jù)位組合。

步驟5：計算步驟4得到的所有點數(shù)據(jù)的能量，若能量最大值超過給定的捕獲閾值，則捕獲成功，對應(yīng)的多普勒頻移、測距碼的碼相位、導(dǎo)航數(shù)據(jù)位組合以及二次編碼的碼相位也分別得到。

基于雙塊補零(Double Block Zero Padding,DBZP)的捕獲方法的特點可以歸結(jié)為三點：無外界信息輔助，雙頻域快速傅里葉變換和相干積分時間的分割處理。其核心思想是對基帶信號和本地測距碼進行分塊處理，將長的傅里葉變換分割為短的傅里葉變換。

DBZP算法中，分塊操作的數(shù)量和移塊操作的數(shù)量是有嚴(yán)格的意義的，并不能任意選定。下面就從功能實現(xiàn)角度對分塊、移塊、雙塊和補零等具體操作的實現(xiàn)機理進行梳理。

首先研究DBZP捕獲方法中載波頻率的分辨率。最終的捕獲結(jié)果是通過對矩陣M_c每一列進行傅里葉變換得到的，其中列對應(yīng)的是碼相位，載波頻率的確定與并行碼相位相似，是與傅里葉變換的數(shù)據(jù)長度和采樣頻率確定的。分塊后，數(shù)據(jù)的采樣率f′_s下降為原先采樣率的數(shù)據(jù)點數(shù)N'為塊的總數(shù)，即N_b，載波頻率的分辨率：

由此可得，基于DBZP的捕獲方法的頻率分辨率與整段基帶信號進行并行頻率空間搜索的分辨率是相同的。

在DBZP算法中，多普勒頻移搜索數(shù)量與分塊的數(shù)量相同。下面從頻率分辨率的角度給出證明。從上述載波頻率分辨率的推導(dǎo)出發(fā)，假設(shè)多普勒搜索頻率范圍為(f_min,f_max)，則分塊的數(shù)量由以下公式得到：

顯然上式也是多普勒頻移所要搜索的頻率點的數(shù)量。

根據(jù)上述推導(dǎo)的塊的數(shù)量，可以推導(dǎo)塊內(nèi)的數(shù)據(jù)點數(shù)。塊內(nèi)的數(shù)據(jù)點數(shù)為：

由此可知，DBZP算法中，塊的數(shù)量和塊內(nèi)數(shù)據(jù)點的數(shù)量是由采樣率、相干積分時間和多普勒搜索頻率范圍共同決定的。

分塊之后測距碼的完整性被打破，所以需要通過移塊的操作使測距碼和基帶信號可以充分進行相關(guān)。由于測距碼具有周期性，不需要對所有塊進行移塊操作，只要完成測距碼的一個周期即可。測距碼一個周期需要的移塊次數(shù)為：

因此，移塊操作的次數(shù)是由頻率搜索范圍直接決定的。

DBZP算法的基礎(chǔ)在于雙塊和補零兩個操作，這也是雙塊補零算法名字的直觀表述。雙塊和補零兩個操作的目的在于完成并行碼相位搜索的功能?！半p塊”的操作是因為測距碼被分割之后失去了周期性，在進行塊內(nèi)操作時，靈活地采用滑塊思想，保證本地測距碼能夠與基帶信號塊中的第一個子塊的每一個采樣點為起點充分進行相關(guān)運算；“補零”的目的在于方便以離散傅里葉變換的形式完成上述塊內(nèi)的并行碼相位搜索，同時又不會因為循環(huán)相關(guān)影響相關(guān)運算結(jié)果。

下文以北斗D1導(dǎo)航電文為例進行說明。

北斗D1導(dǎo)航電文中調(diào)制的二次編碼是指在速率為50bps的D1導(dǎo)航電文上調(diào)制了一個Neumann-Hoffman碼(即NH碼)。該NH碼周期為一個導(dǎo)航信息位的寬度，NH碼1比特寬度則與擴頻碼周期相同。D1導(dǎo)航電文一個信息位寬度為20毫秒，擴頻碼周期為1毫秒，因此采用20比特的NH碼，碼序列為(0,0,0,0,0,1,0,0,1,1,0,1,0,1,0,0,1,1,1,0)。碼速率為1kbps，碼寬為1毫秒，與導(dǎo)航信息碼和擴頻碼同步調(diào)制。

如果參與相干積分的數(shù)據(jù)長度為T_I，包含N_db個導(dǎo)航數(shù)據(jù)位，則可能的導(dǎo)航數(shù)據(jù)位組合為個。例如相干積分時間為80ms，則包含4個數(shù)據(jù)導(dǎo)航位，可能的導(dǎo)航數(shù)據(jù)位組合為8個，每個導(dǎo)航數(shù)據(jù)位的長度為20ms，分別是

北斗D1導(dǎo)航電文上面調(diào)制的二次編碼是在50Hz的D1導(dǎo)航電文上調(diào)制碼速率為1kbps的NH碼，該NH碼周期為一個導(dǎo)航數(shù)據(jù)位的寬度，NH碼1比特則與測距碼周期相同。用于遍歷導(dǎo)航數(shù)據(jù)位組合的序列是導(dǎo)航數(shù)據(jù)位與NH碼的組合碼。

以上實施例僅為說明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動，均落入本發(fā)明保護范圍之內(nèi)。